[发明专利]带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器

说明书

技术领域

本发明涉及一种跨阻放大器，属于微电子领域。

背景技术

光信号能量经过光纤在到达接收端的光电二极管之前会发生一定的损耗。在接收端，光电二极管按照一定的比例将光强转换为电流，然后通过一个跨阻放大器(TIA)将这个电流放大并转换成电压。

图1是跨阻放大器TIA的电路原理图，TIA由三极管Q1、Q2、Q3和电阻R₁、R₂、R_F、R_E组成。输入电流均通过反馈电阻R_F，Q3的集电极电压为TIA的输出信号，即节点a输出电压Vout。输入电流流过跨阻放大器的反馈电阻R_F会产生一个电压，输入电流幅度较大时，R_F的电压很大，节点b的电压V_E过低，Q1的集电极电压降低使Q1进入饱和区，跨阻放大器会进入非线性区，发生过载效应，降低跨阻放大器的速度，导致脉宽失真和码间干扰。解决过载效应的一种办法就是根据输入电流的幅度调整反馈电阻R_F，使跨阻放大器不会进入非线性区。由于光电二极管的光电流只有一个极性，所以输入电流有一个DC值，即平均电流，DC分量流过反馈电阻R_F，V_E的DC电压比输入端小一个DC电压，降低过载效应的另一种方法是使用直流恢复电路，反馈电阻R_F不通过输入电流的DC分量，只通过交流分量，V_E的DC电压与输入端相等。图2给出了常用的跨阻放大器直流恢复的电路结构，误差放大器A2检测反馈电阻R_F两端的电压，产生误差电压控制MOS晶体管M1，电流源IN输出的DC电流流过MOS晶体管M1，而不通过反馈电阻R_F。误差放大器A2输出端的滤波电容C1保证误差放大器A2采样的是直流电压。即使采用直流恢复电路，反馈电阻不通过直流电流，输入电流幅度过大，输入逻辑1的AC电流通过仍然有可能使V_E电压过低而进入非线性区。

假设跨阻放大器A1是理想的，所以输入端的等效输入噪声为反馈电阻R_F的噪声的MOS晶体管M1噪声之和：

其中，I_n,in为等效输入噪声，为反馈电阻R_F的噪声，I_n,M1为MOS晶体管M1噪声，k为玻尔兹曼常数，T是开尔文温度，μ_n是沟道电子的迁移率，C_ox是单位面积的栅氧化层电容，是NMOS晶体管的宽长比。

由于光纤传输距离和光电二极管的响应度不同，接收端光电二极管得到的电流幅度也不同，在几微安到几个毫安之间，TIA的设计需要在噪声、带宽、增益、灵敏度和动态范围之间进行权衡，并且在CMOS和双极型技术方面提出了严峻的挑战。

发明内容

本发明目的是为了解决低输入电流幅度的输入噪声，和高输入电流幅度引起的非线性问题，提供了一种带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器。

本发明所述带有offset和动态直流恢复的跨阻放大器，它包括TIA放大器A1、TIA放大器A3、误差放大器A2、滤波电容C1、反馈电阻R_F、反馈电阻R_FR、NMOS晶体管M1、NMOS晶体管M2、电流源IN和offset电压源V₁；

电源VDD连接电流源IN的正端，电流源IN的负端同时连接NMOS晶体管M1的漏极、TIA放大器A1的输入端和反馈电阻R_F的一端，NMOS晶体管M1的源极接地；NMOS晶体管M1的栅极同时连接NMOS管M2的栅极、误差放大器A2的输出端和滤波电容C1的一端，滤波电容C1的另一端接地；

NMOS晶体管M2的源极接地；

NMOS晶体管M2的漏极同时连接TIA放大器A3的输入端和反馈电阻R_FR的一端，TIA放大器A3的输出端同时连接反馈电阻R_FR的另一端和offset电压源V₁的正端，offset电压源V₁的负端连接误差放大器A2的同相输入端；

误差放大器A2的反相输入端同时连接TIA放大器A1的输出端和反馈电阻R_F的另一端。